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数字孪生城市的应用

发布时间:2022-04-12 10:17:11 浏览次数:1448次

2003美国麻省理工学院建筑与媒体艺术教授,美国艺术与科学院院士威廉·J米切尔在其撰写的《伊托邦》中曾经提出,“城市,是从柏拉图、亚里士多德到芒福德、雅各布斯这样的城市理论家们所熟悉的城市已经不能再像以前那样维系在一起并发生作用了。这一切都是由于比特(bits),他们已将城市摧垮。”

 

当前,以云计算、大数据、人工智能、虚拟现实、无人驾驶等新技术为代表信息化浪潮席卷全球,也影响着城市规划、建设与发展。在“比特”空间上,所构建的城市虚拟映像叠加在城市物理空间上,将极大改变城市面貌,重塑城市基础设施,形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。借助更泛在普惠的感知,更快速度的网络、更智能融合的计算,一种更加智能化的新型城市将得以创建,不久后的将来,以数字孪生城市为代表的新型智慧城市发展新理念和新模式将成为现实。

数字孪生城市的内涵

数字孪生(Digital Twin)技术是一种物理空间与虚拟空间的虚实交融、智能操控的映射关系,通过在实体世界,以及数字虚拟空间中,记录、仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹,实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置。该技术源起于航天飞行器维护与保障,广泛应用于工业领域仿真分析、产品定义、制造装配工艺、测量检验等模型构建等环节,未来将在城市空间广泛普及应用,成为新型智慧城市的赋能技术体系。

数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用,通过构建城市物理世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统,在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市,实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。

数字孪生城市的本质,是实体城市在虚拟空间的映射,也是支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系,更是物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市的同生共存、虚实交融的城市未来发展形态。

数字孪生城市的目标

是基于立体感知的动态监控、基于泛在网络的及时响应、基于软件模型的实时分析、基于城市智脑的科学决策,解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题,全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态,实现智慧城市的内生发展动力。

数字孪生城市的特征

数字孪生城市有四大特点:精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

精准映射:数字孪生城市通过空天、地面、地下、河道等各层面的传感器布设,实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字化建模,以及对城市运行状态的充分感知、动态监测,形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。

虚实交互:城市基础设施、各类部件建设即有痕迹,城市居民、来访人员上网联系即有信息。未来数字孪生城市中,在城市实体空间可观察各类痕迹,在城市虚拟空间可搜索各类信息,城市规划、建设以及民众的各类活动,不仅在实体空间,而且在虚拟空间得到极大扩充,虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。

软件定义:孪生城市针对物理城市建立相对应的虚拟模型,并以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为,通过云端和边缘计算,软性指引和操控城市的交通信号控制、电热能源调度、重大项目周期管理、基础设施选址建设。

智能干预:通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等,将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警,并提供合理可行的对策建议,以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行,进而指引和优化实体城市的规划、管理、改善市民服务供给,赋予城市生活“智慧”。

数字孪生城市的架构

数字孪生城市建设依托以云、网、端为主要构成的技术生态体系,端测形成城市全域感知,深度刻划城市运行体征状态。网侧形成泛在高速网络,提供毫秒级时延的双向数据传输,奠定智能交互基础。云侧形成普惠智能计算,以大范围、多尺度、长周期、智能化地实现城市的决策、操控。

1、 端侧:群智感知、可视可控。

城市感知终端 “成群结队”形成群智感知能力。感知设施将从单一的 RFID、传感器节点向更强感知、通信、计算能力的智能硬件、智能杆柱、智能无人汽车等迅速发展。同时,个人持有的智能手机、智能终端将集成越来越多的精密传感能力,拥有日益强大的感知、计算、存储和通信能力,成为感知城市周边环境以及居民的“强”节点,形成大范围、大规模、协同化普适计算的群智感知。

基于标识和感知体系全面提升传统基础设施智能化水平。通过建立基于智能标识和监测的城市综合管廊,实现管廊规划协同化、建设运行可视化、过程数据全留存。通过建立智能路网实现路网、围栏、桥梁等设施智能化的监测、养护和双向操控管理。多功能信息杆柱等新型智能设施全域部署,实现智能照明、信息交互、无线服务、机车充电、紧急呼叫、环境监测等智能化能力。

2、 网侧:泛在高速、天地一体。

提供泛在高速、多网协同的接入服务。全面推进4G/5G/WLAN/NB-IoT/eMTC 等多网协同部署,虚拟化、云化技术的立体无缝覆盖,提供无线感知、移动宽带和万物互联的接入服务,支撑新一代移动通信网络在垂直行业的融合应用。

形成天地一体综合信息网络支撑云端服务。综合利用新型信息网络技术,充分发挥空、天、地信息技术的各自优势,通过空、天、地、海等多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚,以及资源的统筹处理、任务的分发、动作的组织和管理,实现时空复杂网络的一体化综合处理和最大有效利用,为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。

3、 云侧:随需调度、普惠便民

边缘计算及量子计算设施提供高速信息处理能力。在城市的工厂、道路、交接箱等地,构建具备周边环境感应、随需分配和智能反馈回应的边缘计算节点。部署以原子、离子、超导电路和光量子等为基础的各类量子计算设施,为实现超大规模的数据检索、城市精准的天气预报、计算优化的交通指挥、人工智能科研探索等海量信息处理提供支撑。

人工智能及区块链设施为智能合约执行。构建支持知识推理、概率统计、深度学习等人工智能统一计算平台和设施,知识计算、认知推理、运动执行、人机交互能力的智能支撑能力。建立定制化强、个性化部署的区块链服务设施,支撑各类应用的身份验证、电子证据保全、供应链管理、产品追溯等商业智能合约的自动化执行。

部署云计算及大数据设施。建立虚拟一体化云计算服务平台和大数据分析中心,基于 SDN 技术实现跨地域服务器、网络、存储资源的调度能力,满足智慧政务办公和公共服务、综合治理、产业发展等各类业务存储和计算需求。

 

数字孪生城市的场景

1、 智能规划与科学评估场景

对于城市规划而言,通过在数字孪生城市执行快速的“假设”分析和虚拟规划,摸清城市一花一木、一路一桥的家底、把握城市运行脉搏,推动城市规划有的放矢,提前布局。在规划前期和建设早期了解城市特性、评估规划影响,避免在不切实际的规划设计上浪费时间,防止在验证阶段重新进行设计,以更少的成本和更快的速度推动创新技术支撑的智慧城市顶层设计落地。

对于智慧城市效益评估而言,基于数字孪生城市体系以及可视化系统,以定量与定性方式,建模分析城市交通路况、人流聚集分布、空气质量、水质指标等各维度城市数据,决策者和评估者可快速直观了解智慧化对城市环境、城市运行等状态的提升效果,评判智慧项目的建设效益,实现城市数据挖掘分析,辅助政府在今后信息化、智慧化建设中的科学决策,避免走弯路和重复建设低效益建设。

2、 城市管理和社会治理场景

对于基础设施建设而言,通过部署端侧标识与各类传感器、监控设备,利用二维码、RFID5G 等通信技术和标识技术,对城市地下管网、多功能信息杆柱、充电桩、智能井盖、智能垃圾桶、无人机、摄像头等城市设施实现全域感知,全网共享、全时建模、全程可控,提升城市水利、能源、交通、气象、生态、环境等关键全要素监测水平和维护控制能力。对于城市交通调度、社会管理、应急指挥等重点场景,均通过基于数据孪生系统的大数据模型仿真,精细化数据挖掘和科学决策,出台指挥调度指令及公共决策监测,全面实现动态、科学、高效、安全的城市管理。任何社会事件、城市部件、基础设施的运行将在数字孪生系统实时、多维201806 |77中国信息界 | Information China度呈现。对于重大公共安全事件、火灾、洪涝等紧急事件,依托数字孪生系统,以秒级时间完成问题发现和指挥决策下达,实现“一点触发、多方联动、有序调度、合理分工、闭环反馈”。

3、人机互动的公共服务场景

城市居民是新型智慧城市服务的核心,也是城市规划、建设考虑的关键因素。数字孪生城市将以“人”作为核心主线,到对城乡居民每日的出行轨迹、收入水准、家庭结构、日常消费等,动态监测,纳入模型,协同计算。同时,通过在“比特空间”上,预测人口结构和迁徙轨迹、推演未来的设施布局、评估商业项目影响等,以智能人机交互、网络主页提醒、智能服务推送等形式,实现城市居民政务服务、教育文化、诊疗健康、交通出行等服务的快速响应,个性化服务,形成具有巨大的影响力和重塑力的数字孪生服务体系。

4、城市全生命周期协同管控场景

通过构建基于数字孪生技术的可感知、可判断、快速反应的智能赋能系统,实现对城市土地勘探、空间规划、项目建设、运营维护等全生命周期的协同创新。在勘察阶段,基于数值模拟、空间分析和可视化表达,构建工程勘察信息数据库,实现工程勘察信息的有效传递和共享。在规划阶段,对接城市时空信息智慧服务平台,通过对相关方案及结果进行模拟分析及可视化展示,全面实现“多规合一”。在设计阶段,应用建筑信息模型等技术对设计方案进行性能和功能模拟、优化、审查和数字化成果交付,开展集成协同设计,提升质量和效率。在建设阶段,基于信息模型,对进度管理、投资管理、劳务管理等关键过程进行有效监管,实现动态、集成和可视化施工管理。在维护阶段,依托基于标识体系、感知体系和各类智能设施,实现城市总体运行的实时监测、统一呈现、快速响应和预测维护,提升运行维护水平。